Могут ли «тёмные звёзды» объяснить наногерцевый гравитационный фон?

Пульсарные тайминговые массивы (PTA) обнаружили низкочастотный общий сигнал с корреляциями, характерными для гравитационно-волнового фона. Главным астрофизическим объяснением считаются сливающиеся двойные системы сверхмассивных чёрных дыр, хотя другие источники сигнала пока не исключены.

Сохан Годла и Космин Илие рассматривают этот сигнал как возможную «летопись» рождения первых чёрных дыр. Их модель прослеживает путь ранних зародышей на больших красных смещениях через рост галактических гало, накопление массы чёрными дырами и слияния бинарных систем. Затем авторы рассчитывают наногерцевый фон, который могли бы создать возникшие таким образом массивные двойные чёрные дыры.

Главный вопрос исследования звучит не так: «Увидели ли PTA саму тёмную звезду?» Скорее, учёные проверяют, совместимы ли число и свойства чёрных дыр, оставшихся после коллапса таких объектов, с сигналом, измеряемым сегодня.

Как «тёмная звезда» превращается в зародыш чёрной дыры

В рассматриваемом сценарии «тёмная звезда» — это протяжённый объект из водорода и гелия, который получает основную энергию не от обычного ядерного синтеза, а от аннигиляции частиц тёмной материи. Если такая звезда продолжает поглощать газ, она может вырасти примерно до миллиона масс Солнца или даже больше, а затем коллапсировать, образовав массивный зародыш чёрной дыры.

Сразу после коллапса такой объект ещё не создаёт наблюдаемый PTA-сигнал. Сначала чёрная дыра растёт внутри родительского гало. По мере слияния гало она может встретиться с другими чёрными дырами, образовать двойную систему и в конечном счёте войти в популяцию сверхмассивных чёрных дыр. Совокупное излучение множества таких систем и формирует стохастический фон в наногерцевом диапазоне — именно к нему чувствительны многолетние наблюдения за временем прихода импульсов миллисекундных пульсаров.

Связь получается косвенной, но важной: измерение гравитационных волн в современную эпоху может проверять последствия механизма, работавшего на заре Вселенной.

Почему важен порог в миллион масс Солнца

Сценарий «тёмных звёзд» становится особенно интересным, когда они достигают примерно $10^6$ масс Солнца или превышают этот масштаб. После коллапса такие объекты дают чёрным дырам более тяжёлую стартовую точку, чем сценарии с лёгкими зародышами. Если подобных остатков образуется достаточно много и впоследствии они участвуют в слияниях, расчётный PTA-фон может существенно возрасти.

Но результат остаётся условным. Исследование не доказывает, что сверхмассивные «тёмные звёзды» действительно существовали, и не показывает, что наблюдаемый фон однозначно создан их остатками. Оно указывает, что достаточно многочисленная популяция очень массивных «тёмных звёзд» могла бы оставить после себя чёрные дыры, способные заметно — вплоть до доминирующего вклада — повлиять на сигнал.

«Тёмные звёзды» и чёрные дыры прямого коллапса

Годла и Илие сопоставили этот сценарий с образованием чёрных дыр прямого коллапса (DCBH) — ещё одним предполагаемым путём возникновения тяжёлых зародышей в ранней Вселенной.

В принятой авторами модели остатки «тёмных звёзд» при сопутствующей плотности около $10^{-3},\mathrm{Мпк}^{-3}$ способны дать значительную и потенциально доминирующую долю PTA-фона. Канал DCBH при существенно меньшей плотности зародышей, использованной для сравнения, даёт лишь небольшой вклад или остаётся второстепенным.

Разница связана с условиями формирования. Для DCBH обычно требуется редкая среда: почти первичный газ должен сжаться без фрагментации, чему часто способствует интенсивное ультрафиолетовое излучение от соседнего региона звездообразования. В сценарии «тёмных звёзд» для появления более многочисленной популяции достаточно, чтобы подходящие изолированные мини-гало встречались достаточно часто, а сами объекты могли продолжать накапливать газ до сверхмассивных размеров.

Это не исключает DCBH. Сравнение показывает другое: важна не только масса каждого зародыша, но и их количество. Более многочисленная популяция остатков «тёмных звёзд» способна создать более сильный поздний фон от слияний, чем редкий канал образования тяжёлых зародышей.

Что PTA говорят о численности ранних зародышей

Та же модель накладывает верхнее ограничение на плотность таких объектов. При значениях порядка $10^{-2}$–$10^{-1},\mathrm{Мпк}^{-3}$ расчётная энергия гравитационных волн оказалась бы слишком большой по сравнению с наблюдаемым PTA-фоном. Если предположить, что сигнал в основном создают двойные системы сверхмассивных чёрных дыр, данные не поддерживают настолько многочисленную популяцию ранних зародышей.

Это ограничение относится к популяции в целом, а не к прямой переписи «тёмных звёзд». Его точность зависит от предположений о формировании зародышей, аккреции газа, истории слияний гало, сближении и эволюции двойных чёрных дыр, а также от самой интерпретации PTA-сигнала. Пульсарные массивы обнаруживают или ограничивают гравитационно-волновой фон, но не наблюдают отдельные первобытные звёзды.

Новый способ исследовать космический рассвет

Значение работы выходит за рамки одного сценария. Гравитационно-волновая астрономия позволяет изучать объекты, которые могли исчезнуть миллиарды лет назад. Электромагнитные наблюдения могут искать необычно яркие или массивные объекты на больших красных смещениях, а PTA проверяют последующую историю слияний чёрных дыр, которые эти объекты могли породить.

Если будущие наблюдения уточнят амплитуду и спектр наногерцевого фона, а объяснение через двойные сверхмассивные чёрные дыры останется наиболее убедительным, это поможет сравнить остатки «тёмных звёзд», DCBH и другие каналы формирования первых зародышей.

Главный результат исследования — мост между физикой космического рассвета и современными наблюдениями гравитационных волн. Наногерцевой фон может хранить сведения о том, как появились первые массивные чёрные дыры, даже если сами «тёмные звёзды» давно перестали существовать.